宋素真, 桂 林, 楊 晨, 鄭藝璇, 陳 璟, 朱玉絢

(上海第二工業(yè)大學(xué)a. 環(huán)境與材料工程學(xué)院;b. 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,上海201209)

0 引言

手機(jī)支付,即利用短距離移動(dòng)通信方式進(jìn)行支付,是當(dāng)前的一種主要支付方式,并廣泛應(yīng)用于人們的生活中。近場(chǎng)通信(near field communication,NFC)和射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)是手機(jī)支付中一種重要的短距離移動(dòng)通信方式,卻存在一些安全問(wèn)題,如“中間人攻擊”,從而截獲重要信息。因此,工業(yè)界提出了基于可見(jiàn)光通信進(jìn)行支付的技術(shù)方案[1],它可以應(yīng)用于普通的支付場(chǎng)景[2-3],以及利用車燈通信系統(tǒng)進(jìn)行車輛身份識(shí)別和費(fèi)用支付的應(yīng)用[4-5]。

可見(jiàn)光通信(visible light communication, VLC)是近些年來(lái)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)學(xué)者在VLC 領(lǐng)域取得了可喜的突破,可見(jiàn)光通信的通信速率已提高至10 Gb/s[6]。與此同時(shí),一些研究人員也進(jìn)行著可見(jiàn)光支付系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。光啟研究院[1]最早提出可見(jiàn)光通信應(yīng)用于手機(jī)支付,發(fā)明了一種光子支付方法及系統(tǒng)專利,且成功研發(fā)并投向一系列圍繞安全的光子產(chǎn)品,包括光子認(rèn)證、光子門禁、光子防偽、光子支付等。光啟已經(jīng)與銀聯(lián)商務(wù)合作,共同推廣手機(jī)的“刷光支付”。一些工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)了可見(jiàn)光支付的系統(tǒng)[7],但是可見(jiàn)光支付的有效區(qū)域問(wèn)題尚未有研究,該問(wèn)題直接影響可見(jiàn)光通信的安全性。

因此,本文針對(duì)手機(jī)支付安全性問(wèn)題,根據(jù)LED在自由空間傳輸模型[8-11],仿真了基于可見(jiàn)光通信手機(jī)支付時(shí)的有效區(qū)域問(wèn)題,實(shí)驗(yàn)研究可見(jiàn)光通信信號(hào)在真實(shí)環(huán)境下的有效區(qū)域問(wèn)題,通過(guò)對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得到了真實(shí)環(huán)境下的朗伯指數(shù)。

1 系統(tǒng)模型與結(jié)構(gòu)

1.1 手機(jī)支付系統(tǒng)中VLC 信號(hào)傳輸模型

手機(jī)支付系統(tǒng)可設(shè)計(jì)為雙向無(wú)線可見(jiàn)光通信,下行鏈路的實(shí)現(xiàn)利用了非成像的無(wú)線可見(jiàn)光傳輸技術(shù)。本文采用功率為1 W 的LED 作為發(fā)射器,采用硅光電池作為接收器,實(shí)現(xiàn)高速下行數(shù)據(jù)傳輸;上行鏈路的實(shí)現(xiàn)需利用基于成像的無(wú)線可見(jiàn)光傳輸技術(shù),需采用攝像頭等作為接收器成幀捕捉圖像光信息。本文目前實(shí)現(xiàn)了下行鏈路無(wú)線可見(jiàn)光通信系統(tǒng),通過(guò)理論研究,上行鏈路中LED 作為發(fā)射端可以多次閃爍, 上行鏈路不會(huì)實(shí)現(xiàn)太高的通信速率,但是對(duì)于下行為主的數(shù)據(jù)傳輸類型的通信而言,上行鏈路主要用于傳輸數(shù)據(jù)量不大的信令信息、內(nèi)容請(qǐng)求信息等。上行鏈路的接收端可利用攝像頭捕捉發(fā)射端信息,手機(jī)攝像頭在獲取一幀圖像時(shí)會(huì)進(jìn)行多次快門曝光,因此,利用這一效應(yīng)就能夠捕捉LED 的高頻閃爍,當(dāng)手機(jī)快門曝光頻率高于LED 閃爍頻率時(shí),能夠無(wú)失真地得到LED 的閃爍圖像,隨后可用數(shù)字信號(hào)處理算法取出LED 閃爍頻率及傳送的數(shù)據(jù)信息。

在可見(jiàn)光手機(jī)支付系統(tǒng)中,信號(hào)從LED 等通過(guò)自由空間信道傳輸?shù)浇邮掌?大光束發(fā)散的LED 通常被認(rèn)為朗伯光源,因此,它一般會(huì)遵循朗伯輻射定律?？梢?jiàn)光通信LED 光傳播滿足朗伯分布,其朗伯光源的光強(qiáng)分布是利用余弦方程量化空間角度的關(guān)系來(lái)表明。在基于可見(jiàn)光通信LED 手機(jī)支付系統(tǒng)中,直射信號(hào)的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于反射信號(hào)的強(qiáng)度,本文只考慮直射傳輸鏈路。下行鏈路發(fā)射端LED 功率為1 W 的白光,接收端采用硅光電池進(jìn)行感光,硅光電池線性度好,接收面積大,進(jìn)而完成下行鏈路的設(shè)計(jì)。LED 朗伯模型如圖1 所示。發(fā)射端LED 為1 W白光,θ 為L(zhǎng)ED 的光發(fā)射角度;ψ1/2是LED 燈泡的半功率角,即照度為中心照度1/2 的角度;d 為L(zhǎng)ED與硅光電池陣列的直線接收距離;h 為L(zhǎng)ED 距離接收端水平面的高度;視場(chǎng)角(field of view,FOV)為硅光電池的有效接收角度,設(shè)置為60°;φ 為硅光電池光入射角,本次實(shí)驗(yàn)設(shè)定φ 始終小于FOV。

在LED 上獲取基于VLC 的定位數(shù)據(jù)?；诶什匦?在模型中,當(dāng)LED 與硅光電池陣列平行時(shí),θ =φ,光直射傳輸信道的增益H(0)可表示為[6]:

圖1 LED 朗伯傳輸模型Fig.1 LED Lambertian transmission model

式中:m 為L(zhǎng)ED 光源的朗伯輻射指數(shù);A 為VLC 手機(jī)支付模塊中光電二極管檢測(cè)器的物理區(qū)域;θ 為角度相對(duì)于接收器軸的入射角;φ 為相對(duì)于LED 燈泡的入射角。m 的大小由LED 的半功率角ψ1/2決定,

m 值的大小表示LED 的發(fā)光指向性。當(dāng)m=1時(shí), 光源表示為一個(gè)純粹的朗伯漫射器,當(dāng)m > 1時(shí), LED 會(huì)顯示處更強(qiáng)的指向性。通常θ = ?,m = 1, cos ? = h/d, RF 強(qiáng)度由電子頻譜分析儀(Tektronix,MDO3052 的頻譜分析功能)測(cè)量:

式中: It和Ir分別為L(zhǎng)ED 燈泡發(fā)射器和定位模塊接收器的光強(qiáng)度;C 為一個(gè)常數(shù)。

根據(jù)式(3)從而證明了r、d 和h 間的關(guān)系:

式中: (X,Y)表示接收端硅光電池陣列水平面坐標(biāo),從式(5)可以得到接收器的位置。

式中: φ 為L(zhǎng)ED 光入射角; cos φ 為L(zhǎng)ED 距離接收端水平面的高度h 與LED 與硅光電池陣列的直線接收距離d 的比值。硅光電池陣列建立水平面坐標(biāo)系, 坐標(biāo)表示為(X,Y), X、Y 的取值范圍均為?30 ～30 mm。

由硅光電池坐標(biāo)取值范圍可得Wmax= 0.018,Wmin= 0。當(dāng)h = 35 mm 時(shí), (cos θ)max= 1,(cos θ)min=0.636 4;當(dāng)h =70 mm 時(shí),(cos θ)max=1,(cos θ)min=0.855 2。

1.2 手機(jī)支付有效區(qū)域

可見(jiàn)光通信應(yīng)用于手機(jī)支付過(guò)程中,基于LED光源的朗伯特性,發(fā)射端發(fā)射、接收端接收角度限制,一定接收角范圍內(nèi)才可實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收。隨著發(fā)射端與接收端距離、接收角度的變化,信號(hào)呈現(xiàn)不同程度的傳輸,通信過(guò)程中會(huì)存在安全性問(wèn)題。發(fā)送接收端距離變大,信號(hào)接收逐漸衰減,當(dāng)接收端接收功率下降至一定程度時(shí)視為無(wú)效接收功率,即接收端接收不到信號(hào),無(wú)法完成可見(jiàn)光通信。本文設(shè)定當(dāng)接收功率

2 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

2.1 仿真設(shè)計(jì)與參數(shù)

為了測(cè)試本系統(tǒng)的性能,在MATLAB 軟件中建立了可見(jiàn)光通信手機(jī)支付模型,LED 為1 W 白光, 接收端硅光電池為7×7 陣列矩陣, 測(cè)量區(qū)域?yàn)?.07 m×0.07 m, 矩陣各個(gè)測(cè)量點(diǎn)間隔為10 mm,LED 置于硅光電池陣列水平面一定高度,測(cè)量接收端的接收功率。在MATLAB 仿真環(huán)境下,定義接收端硅光電池為7×7 陣列矩陣, 建立水平面坐標(biāo)系,硅光電池矩陣各個(gè)測(cè)量點(diǎn)間隔為10 mm,令硅光電池陣列某一坐標(biāo)為(X,Y), X、Y 的取值范圍均為?30 ～30 mm。LED 置于硅光電池陣列中心坐標(biāo)上方一定高度h,設(shè)置h 分別為35、70 mm,具體的仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

2.2 仿真結(jié)果與分析

通過(guò)MATLAB 建模,令m = 1,仿真數(shù)據(jù)如圖2 所示。

圖2 m=1 時(shí)的仿真結(jié)果 (a)h=35 mm;(b)h=70 mmFig.2 Simulation results when m=1 (a)h=35 mm;(b)h=70 mm

由式(6)可得,硅光電池陣列的cos φ 范圍,求得各半功率較對(duì)應(yīng)的朗伯指數(shù),通過(guò)此估計(jì)方法計(jì)算不同的朗伯指數(shù)m 所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。當(dāng)m = 5.5 時(shí),測(cè)量誤差最小如圖3 所示。

圖3 m=5.5 時(shí)的仿真結(jié)果(a)h=35 mm;(b)h=70 mmFig.3 Simulation result when m=5.5(a)h=35 mm;(b)h=70 mm

由于LED 光源具有朗伯特性,φ 為硅光電池的光入射角,當(dāng)φ=0 時(shí),LED 位于接收端水平面中心坐標(biāo)正上方,硅光電池陣列的中心位置,接收端接收功率最高。隨著硅光電池坐標(biāo)的移動(dòng),距離中心坐標(biāo)越遠(yuǎn),接收端接收功率越小。通過(guò)MATLAB 建模仿真, 仿真結(jié)果表明, 隨著硅光電池水平面與LED距離h 的改變,接收有效區(qū)域也會(huì)隨之改變,即h 會(huì)影響接收端有效接收區(qū)域。當(dāng)m = 5.5 時(shí),手機(jī)支付系統(tǒng)建模效果最好,安全性較好。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)裝置

可見(jiàn)光通信系統(tǒng)主要由LED 光源發(fā)射端、光電檢測(cè)的接收端及中間信道傳輸部分構(gòu)成。原始待傳輸信號(hào)經(jīng)調(diào)制加載到光信號(hào)上,接收端接收到傳遞來(lái)的光信號(hào),進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,經(jīng)過(guò)信號(hào)放大均衡等處理進(jìn)而得到原始信號(hào)。在發(fā)射端,LED 將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行傳輸;在接收端,硅光電池將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

通過(guò)手機(jī)支付原理,實(shí)驗(yàn)采取額定功率1 W 白光LED 作為發(fā)射端,硅光電池作為接收端,通過(guò)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào),RF 強(qiáng)度由電子頻譜分析儀測(cè)量。硅光電池依次放置于7×7 陣列矩陣測(cè)量點(diǎn)上,矩陣各個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間間隔為10 mm, 接收端硅光電池建立水平面坐標(biāo)系,坐標(biāo)表示為(X,Y),X、Y的取值范圍均為?30 ～30 mm。LED 置于硅光電池陣列中心坐標(biāo)上方一定高度h, 設(shè)置h 分別為35、70 mm。設(shè)置信號(hào)頻率f =100、50 kHz,分別測(cè)量LED 和硅光電池距離h = 35、70 mm 的接收功率。

3.2 結(jié)果分析

1 W 白光LED 在偏置電壓3.4 V、頻率f =100 kHz 下,接收端測(cè)量區(qū)域?yàn)?.07 m×0.07 m,發(fā)射端利用信號(hào)發(fā)生器生成偏置正弦波形, 分別測(cè)量距離h = 35、70 mm 的接收功率,RF 強(qiáng)度由電子頻譜分析儀測(cè)量。觀察在設(shè)定接收區(qū)域內(nèi)硅光電池接收功率,測(cè)量數(shù)據(jù)如圖4 所示; 同時(shí)測(cè)量f =50 kHz 下,有效接收區(qū)域硅光電池接收功率,測(cè)量數(shù)據(jù)如圖5 所示。

圖4 接收功率 (a)f =100 kHz;h=35 mm;(b)f =100 kHz;h=70 mmFig.4 Received power (a)f =100 kHz;h=35 mm;(b)f =100 kHz;h=70 mm

圖5 接收功率 (a)f =50 kHz;h=35 mm;(b)f =50 kHz;h=70 mmFig.5 Received power (a)f =50 kHz;h=35 mm;(b)f =50 kHz;h=70 mm

實(shí)驗(yàn)利用信號(hào)發(fā)生器生成偏置正弦波形,測(cè)量h=35、70 mm 時(shí)硅光電池的接收功率。RF 強(qiáng)度由電子頻譜分析儀測(cè)量,當(dāng)接收功率低于?90 dBm 時(shí),視為無(wú)效接收區(qū)域。結(jié)果表明,當(dāng)f =100 kHz,h=35 mm 時(shí),測(cè)量區(qū)域中心接收功率為?75.2 dBm,除(?30, 20) mm、(?30, ?30)mm、(30, 30) mm、(30,?30)mm 點(diǎn)外,硅光電池接收功率均高于?90 dBm,即為有效接收區(qū)域; h=70 mm 時(shí), 測(cè)量區(qū)域中心接收功率為?85.4 dBm, 除(?30, 30) mm、(?30,?30) mm、(?20, ?20) mm、(?20, ?30) mm、(30,30)mm、(30, ?20)mm、(30, ?30)mm 點(diǎn)外區(qū)域?yàn)橛行Ы邮諈^(qū)域。發(fā)射端與接收端距離h 越大,測(cè)量區(qū)域中心功率越小,有效接收區(qū)域范圍越小,即距離h 影響接收有效區(qū)域, 對(duì)手機(jī)支付的安全性產(chǎn)生影響。

當(dāng)f =50 kHz,h=35 mm 時(shí),測(cè)量區(qū)域中心接收功率為?73.1 dBm, 除(?30,?30)mm 點(diǎn)外為有效接收區(qū)域;h=70 mm 時(shí),測(cè)量區(qū)域中心接收功率為?82.5 dBm,由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量存在角度誤差,數(shù)據(jù)分布不對(duì)稱,除(?30,?30)mm 點(diǎn)外為有效接收區(qū)域。相同距離h 下,f = 50 kHz 的測(cè)量區(qū)域中心接收功率均大于f =100 kHz 時(shí)測(cè)量區(qū)域的中心接收功率,且接收有效區(qū)域較大,即輸入信號(hào)頻率也會(huì)影響硅光電池接收有效區(qū)域,當(dāng)對(duì)手機(jī)支付的安全性產(chǎn)生影響。

4 總 結(jié)

本文針對(duì)手機(jī)支付安全性問(wèn)題,研究了可見(jiàn)光通信應(yīng)用于手機(jī)安全支付有效區(qū)域的問(wèn)題, 通過(guò)MATLAB 建模與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析對(duì)比得出,硅光電池水平面與發(fā)射端LED 的距離h 會(huì)影響接收端有效接收區(qū)域,同時(shí),輸入信號(hào)頻率也會(huì)影響有效接收區(qū)域。此現(xiàn)象表明可見(jiàn)光通信應(yīng)用于手機(jī)支付時(shí),需要對(duì)接收端有效區(qū)域進(jìn)行計(jì)算與設(shè)計(jì),解決手機(jī)支付過(guò)程中安全性問(wèn)題。